太阳能联合复叠热泵系统在寒冷地区的应用研究与分析

1 引言

内蒙古自治区是我国太阳能资源最丰富地区之一，年太阳总辐射量为4633 ～ 6616MJ/m²，年日照时数在2465 ～ 3390h 之间，蕴含着巨大的开发潜力[1]。通辽市作为内蒙古自治区太阳能资源丰富地区，开发利用太阳能资源具有得天独厚的优势。科左中旗地区年总辐射在5200 MJ/m² 以下，属于太阳能资源丰富区，年日照时数在2800h 以上。对于太阳能资源丰富的科左中旗地区，应优先考虑和选择使用太阳能采暖系统[2]。

太阳能热泵供暖技术是将太阳能和空气源热泵结合[3]，既弥补了太阳能采暖技术的缺陷，又可改善热泵系统性能，实现效率双高，相对于传统采暖方式，太阳能热泵供暖技术的推广应用对节能减排起到至关重要的作用。针对适用于寒冷地区的太阳能热泵供暖技术的相关研究如下：贾少刚[4] 等设计了双热源太阳能热泵系统，系统以串联模式运行，既提高了太阳能集热器的效率，也提高了热泵COP，与电热水器或燃气热水器制取热水相比，节能效果显著。王宇[5] 等构建了一种空气源热泵与太阳能复合热水供应系统，研究发现辐照量大于18 MJ/m² 时，日集热效率相对于热泵单独运行能效可提高10%~70%，复合系统运行的综合能效随着太阳能集热单元集热效果提升而增加。王岗[6] 等设计了一种太阳能- 热泵复合供能系统，能满足冬季采暖负荷要求，研究发现系统, 可以满足建筑采暖季负荷要求，可充分发挥太阳能和热泵的优势，实现能源节约。

本项目将空气式PCM 太阳能与高效热泵完美融合，充分利用了太阳能资源，设计了一套空气式PCM 太阳能采暖系统，实现太阳能与热泵联合双驱全天候供暖，以满足该加油站冬季采暖需求，为解决其他类似情况的地区提供依据。

2 工程技术方案

2.1 工程概况

本项目主体为内蒙古通辽某加油站站房，距离通辽市约70 公里，该加油站站房为单层，钢筋混凝土结构，平屋顶，整个建筑包含11 个房间，共计260.1m²，本次供暖需要解决其中的8 个房间，总供暖面积为231.2m²。

通辽市在地球北纬42° 15′，东经119° 20′，根据《内蒙古自治区城镇供热条例》及通辽热电公司的有关规定，通辽市的法定供暖时间为每年10 月20 日至次年4 月20 日，共计180 天，则采暖期内的气象参数如下：采暖期内日均辐照量为16.075MJ/( m²·d)，采暖期内的日均日照小时数为7.52h，采暖期内的平均气温为-5.1℃，供暖室外计算温度为-19℃。

2.2 建筑热负荷计算

参照JGJ26-2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》选取采暖设计负荷。该建筑属于非节能建筑，需全天24h 供暖，墙体无保温措施，单个房间体型较大，且部分房间人流量较大，房门长时间呈开放状态，供暖热负荷相对较高。考虑到建筑保温性能及当地气候条件，采暖设计热负荷为：Pn=60W/m²。

系统总耗热量Q 计算公式如下：

Q=S×Pn×h×3.6/1000(1)

式中：S 为采暖面积，m²；Pn 为采暖平均热负荷，W/m²；h 为采暖时间，h。

该建筑24h 采暖总能耗Q 为= 1198.54MJ。

2.3 技术方案

根据该加油站站房的房间布局和用热情况，设计采用一套太阳能联合复叠热泵采暖系统，包括热泵供暖机1 套，“炫风”空气式太阳能集热器12 组，总集热面积48 m²。包括太阳能集热系统、相变储能系统、热泵系统以及水循环系统。太阳能集热系统把太阳能转化为热能，为热泵机组冷端提供热量；相变储能系统把太阳能转以热能的形式进行储存，减小太阳能辐射波动对系统产生的影响，提高太阳能利用率；热泵系统消耗一定的电能，产生高品位热能，有效保证所输出的供水温度满足用户需求；水循环系统对热泵机组产生的热能进行传递，根据用户需求在合适的时间和空间释放，提高用户舒适度。

设计的太阳能联合复叠热泵系统包括太阳能集热系统、低压级热泵系统和高压级热泵系统，其中，太阳能集热系统由空气式PCM 太阳能集热器、辅助风机、主风机组成。低压级热泵系统由低压级压缩机、空气换热器、气液分离器、四通换向阀、热力膨胀阀、干燥过滤器、中间换热器和壳管换热器组成。高压级热泵系统包括高压级压缩机、热力膨胀阀、干燥过滤器和壳管换热器。

具体工作原理如图1，首先利用辅助风机驱动环境空气进入到空气式太阳能集热器中，收集太阳能并对位于其中的空气进行加热，并把加热的空气送往空气换热器的进风口，在主风机的牵引下，热空气快速与空气换热器的进风口，在主风机的牵引下，热空气快速与空气换热器换热，而后排到环境中去，利用循环热空气为热泵机组冷端持续提供热量；其中，相变蓄能芯用于在太阳能过剩时储存热量，在太阳能不足时，释放热量，稳定热能的输出和太阳能的利用率。

低压机热泵系统利用空气换热器吸收太阳能和环境中的热量，消耗一部分的电能，产生可以满足用户采暖需求的高品位热能，通过低压级壳管换热器加热热水，为用户提供热量；若室外环境温度较低，室内环境温度和热水出水温度均未达到设定温度，此时低压级热泵系统产生的热量已经无法满足用户需求，高压级热泵系统启动，采用高、低压热泵系统联合运行制热。此时，低压级热泵系统作产生的热量一部分通过低压级壳管换热器直接加热热水输出，另一部分通过中间换热器为高压热泵系统提供热量，高压级热泵系统产生的热能通过高压级壳管换热器释放。此时，循环水先通过低压级壳管换热器吸收一部分热量温度升高，而后通过高压级壳管换热器吸收高压级热泵系统产生的热量，温度进一步升高达到用户设定温度，以保证房间供暖舒适度。若低压级热泵空气换热器出现较厚霜层，附近风压小于一设定值，调节四通换向阀，低压级热泵系统逆向运行，吸收低压级壳管换热器和中间换热器的余热，通过空气换热器放出热量，达到化霜目的，以提高热泵系统的综合性能。

图1 太阳能联合复叠热泵系统原理图

3 实验测试与效益分析

在供暖季内选取2019/2/19-2019/2/24 对系统进行测试，测试时间为6 天，测试期间日平均温度、室内温度、供水温度波动如图2 所示。最低日平均温度为-12.67℃，最高日平均温度为0.5℃，室内温度和供水温度随日平均温度的变化略有波动，整体呈现稳定趋势。测试期间系统可产生平均温度为39.47℃的热水，可维持室内温度在18.6℃～ 22.8℃之间，平均室内温度为20.8℃，可满足建筑的采暖需求。

图3 为系统COP 与制热量随温度变化情况，测试期间系统COP 最大为2.91，最小为2.18，平均COP为2.66，系统平均制热量为29.29kW。系统COP 与制热量随温度降低呈下降趋势，系统整体能效较高，节能效果显著。

图2 日平均温度、室内温度、供水温度随时间变化

图3 COP、制热量随温度变化情况

该项目在内蒙古通辽市用于为某加油站建筑供暖，系统已运行一个供暖季，并未出现冻堵、炸裂和泄露等问题，太阳能热泵系统运行稳定可靠，可满足建筑的热量需求。在系统运行期间，平均日总能耗为508.4kW·h，平均日总耗电176.8 kW·h，平均节能率可达65.2%。将太阳能热泵采暖与燃煤锅炉采暖、电锅炉采暖进行节能对比分析，详情如表1 所示。

经计算可得，太阳能热泵采暖相对燃煤锅炉采暖年节钱量可达3.87 万元，太阳能热泵采暖相对电锅炉采暖年节钱量可达4.18 万元。本项目空气式太阳能热泵采暖系统每年可节约4.32 万度电，相当于年均可节省标准煤7.68 吨，当量减排CO219.2 吨，粉尘0.028 吨，NOx0.099 吨。

表1 太阳能热泵采暖、燃煤锅炉采暖、电锅炉采暖节能对比分析表

4 结论

本文设计了一套太阳能联合复叠热泵系统，通过太阳能与空气源热泵的优势互补，可实现对室内的全天候高效供暖。在内蒙古通辽地区对设计的系统进行实际应用，研究其在低温环境下的供暖效果和综合能效，现得到如下结论：

（1）系统可产生平均温度为39.47℃的热水，可维持室内温度在18.6℃～ 22.8℃之间，平均室内温度为20.8℃。（2）系统COP 最大为2.91，最小为2.18，平均COP 为2.66，系统平均制热量为29.29kW。系统COP 与制热量随温度降低呈下降趋势，系统整体能效较高，节能效果显著。（3）在系统运行期间，平均日总能耗为508.4kW·h，平均日总耗电为176.8 kW·h，平均节能率可达65.2%。太阳能热泵采暖相对燃煤锅炉采暖年节钱量可达3.87 万元，太阳能热泵采暖相对电锅炉采暖年节钱量可达4.18 万元。

参考文献

[1] 彭菲. 低碳时代呼唤内蒙古中西部地区突破太阳能采暖系统的设计瓶颈[J]. 中国勘察设计, 2011(9):55-57.

[2] 张立春. 通辽地区太阳能资源可利用性的分析[J].内蒙古民族大学学报，2012，18(5)：58-59.

[3] 邱国栋，许振飞，位兴华，等. 太阳能与空气源热泵集成供热系统研究进展[J]. 化工进展，2018，37(07)：2597-2604.

[4] 贾少刚，王丽萍，魏翠琴，等. 双热源冷热暖三联供太阳能热泵系统设计与运行模式分析[J]. 制冷与空调( 四川)，2018，32(01)：27-30.

[5] 王宇，由世俊，孙颖楷，等. 夏热冬暖地区空气源热泵与太阳能复合热水系统试验研究[J]. 流体机械，2017，45 (12)：58-62.

[6] 王岗，全贞花，赵耀华，等. 太阳能- 热泵复合供能系统[J]. 化工学报，2017，68(5)：2132-2139.